基于UG齿轮参数化建模

1、海军航空工程学院毕业设计第1章 前言1.1 齿轮设计的概述齿轮是机械传动系统中的重要传动零件，它的性能质量直接影响整体机械的运行性能质量。齿轮传动作为重要的机械传动形式，具有瞬时传动比恒定、传动效率高、传递功率范围广、寿命长等优点，但是在齿轮啮合传动过程中，对齿轮的齿廓设计、制造精度有很高的要求，否则将会引起传动过程中的振动、噪声，使得传动不稳定，降低传动质量。齿轮的通用设计方法是对其传递的转矩进行分析计算，然后按齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度进行设计和校核，而对啮合齿所受的应力分布状态则使用ADAMS、ANSYS等有限元分析软件进行受力分析，而这些都需要精确的齿轮三维数字模型。齿轮设计可

2、分为齿轮传动设计和齿轮结构设计两部分。齿轮传动设计一般应首先选择材料和热处理方法,然后按齿面接触强度计算中心距,再根据中心距确定模数、齿数、齿宽等参数。设计过程中需要从有关的工程手册或设计规范中查找各种系数或数据,并套用经验公式。为了在UG进程中高效、快速处理,可以将数表、线图程序化, 建立起图形几何尺寸与尺寸数据的关联，具备由于几何尺寸变化而使图形变换的尺寸驱动功能，编程实现齿轮参数的自动计算和数据输出。齿轮结构设计通常先按齿轮的直径大小,选定合适的结构形式,还要确定齿轮与轴的联接形式,最后根据具体参数进行结构设计。目前齿轮的结构设计往往利用三维造型软件进行实体设计。因此，齿轮的三维建模是齿

3、轮结构设计及计算机辅助设计中的一个主要问题，如何提高设计效率和保证设计精度，一直是当前三维实体设计和虚拟样机设计中的难点所在。而参数化设计这一技术恰恰迎合了这种需求，避免了重复劳动和资源的浪费。在产品设计阶段应用参数化技术，能够提高产品的设计效率，缩短产品的开发周期，使设计人员从繁重的计算与绘图中解放出来，将主要精力放到创造性的设计工作中去。1.2 UG软件及齿轮模块开发的简介一 UG软件的概述Unigraphics NX （简称UG）软件是目前应用最为广泛的大型 CAD/ CAE/CAM集成化软件之一 ,其内容涵盖设计、分析、加工、管理等各个领域 ,它除了为用户提供零件建模、装配、有限元分析

4、、数控加工编程等通用模块 ,还提供了各种专用、模块 ,如工业设计、模具设计加工、钣金设计加工、管路设计等。UG NX同样支持用户进行二次开发,根据特定的需求 ,创建出用户定制的、专用的 UG功能模块,给用户的使用带来极大的方便 ,满足用户个性化的需要。UG/ OPEN API是U G软件包中的一个模块，是用户最常用的二次开发工具，作为U G与外部应用程序之间的接口 ,UG/ OPEN API是一系列函数的集合。利用该语言开发的程序，可以直接完成与UG的各种交互操作，与UG系统集成。在这些二次开发模块的辅助下，UG NX的参数化能力变得更为强大。 主要应用于同类零件编程、特有的几何功能、计算和分

5、析、绘图、零件标准化、数据访问等方面。通过 UG/ OPEN API编程 ,用户几乎能够实现所有的 Unigraphics功能 ,开发者可以通过用 Visual C+ 编程来调用这些函数 ,从而达到实现用户化的需要。二 齿轮模块开发的简介利用 UG/ OPEN API开发 UG环境下齿轮自动生成模块 ,用户只要通过接口界面输入齿轮的关键参数 ,如模数m 及齿数 z 等 ,即可生成精确的齿轮模型，建立的模型是在现代 CAPP/ DFA/ DFM系统中对齿轮机构进行后续开发及研究 ,如虚拟装配、运动仿真、 有限元分析及数控加工编程的基础。齿轮模块的开发包括 2 部分:齿轮模板的建立和应用程序的设计

6、。齿轮模板是基础 ,采用基于关键参数驱动的参数化、 变量化相关性三维建模技术 ,建立齿轮的部件模型 ,部件模型能随着参数/变量的变化而变化 ,提取关键参数/变量 ,创建齿轮部件族模板。应用程序是实现手段 ,其设计包括 3 个方面:用户菜单设计、 接口界面设计及 API应用程序设计。用户通过用户菜单 ,调用齿轮自动生成模块。通过接口界面输入关键参数 ,与 API应用程序实现交互。API应用程序访问齿轮模板 ,根据用户输入的参数 ,创建该部件族模板的不同实例 ,从而获得用户所要求参数的齿轮模型。这样即实现了功能 ,又简化了编程。1.3 论文目的和设计思路一 论文的目的齿轮的类型很多，在产品的建模过

7、程中经常遇到各种标准件的设计造型，传统的造型方法都只是几何图素的简单叠加，不具备由于几何尺寸变化而使图形变换的尺寸驱动功能。设计人员只能花费时间去自己动手一步一步建模，这种简单的重复的工作严重影响设计效率。鉴于渐开线的圆柱齿轮的广泛应用，本文利用U G/ OPEN API 语言开发零件库的功能，开发用户常用的零件库，实现齿轮参数化。设计者只要通过接口界面输入自己所需要的齿轮的基本参数 ，即可生成精确的齿轮三维模型，大大提高了建模速度和精度，从而达到实现用户化的需要。并且建立了产品数据库管理系统 Access的齿轮结构参数化设计系统 ,以便于集成环境下的产品设计和数据管理 ,因而具有一定的现实意

8、义。二 设计方法和思路首先建立齿轮模块，然后利用 UG/ OPEN API对 UG进行二次开发 ,实现渐开线圆柱齿轮尺寸驱动建模 ,当零件尺寸参数发生变化时 ,设计人员通过调用自定义菜单和对话框实现特征参数的重新输入 ,保存为数据文件 ,驱动 UG重构三维模型并生成相应的工程图。同时建立以产品结构、 特征参数为中心的数据库系统 ,该系统既可以通过人机交互界面实现管理与维护 ,又可与齿轮参数化设计形成的数据文件实现数据交换。创建齿轮模板用部件族电子表格创建数据文件设置UG环境开发变量用Access创建产品数据库用Menu Script 创建齿轮模块用UIStyler创建人机交互接口界面Visua

9、l C+创建动态链接库DLL文件用Visual C+创建数据库管理程序数据文件与数据库实现数据交换 图 1 整个系统开发流程系统整个开发流程如图 1 所示。首先利用 UG NX创建渐开线圆柱齿轮模板 ，针对齿轮分别创建完全参数化的三维造型。然后提取特征参数创建部件族 Excel电子表格。后面的工作沿两条主线进行，一方面设置 UG开发环境变量 ，用 Menu Script 创建用户化齿轮模块菜单 ,然后用 UIStyler创建人机交互对话框，并在此基础上利用Visual C + + 编写程序并编译生成动态链接库 DLL 文件；另一方面利用Access创建基于特征参数的产品数据库，并利用 Visu

10、al C + + 创建数据库管理程序，实现对 Access数据库的外部管理；最后实现 Excel电子表格文件与 Access数据库的数据交换。在UG NX环境中，通过用户化菜单和对话框 ,调用齿轮所对应的 DLL 文件,再输入特征参数 ,这不仅可以创建齿轮三维造型，还可查询、改写、存储相关的产品数据库数据。第2章 齿轮模板的建立2.1 参数化设计建模的简介参数化是一种基于特征 、尺寸约束、 数据相关 、尺寸驱动设计修改的技术。程序开发的目的是为了节省建模时间 ，程序越智能化， 就会越使设计人员尽可能少的参与其中， 效率就越高。UG系统最典型的特点是参数化 ,在构造特征、草图时 ,系统将自动建立

11、相应的参数表达式。体现参数化除使用尺寸参数控制模型外 ,还可在尺寸之间建立数学关系式 ,使其保持始终相对的大小、 位置或约束条件。在零件模式下 ,系统允许建立特征之间的关系式 ,使得零件中的不同特征产生关联 ,此时创建的参数关系式成为零件关系式。这样 ,当建好一个特定的零件后 ,使用表达式编辑其参数 ,就可得到具有相同或相似拓扑结构的零件族。 参数化设计模型是以约束来表达产品模型的形状特征 ,以一组参数来控制设计结果 ,从而能通过变换一组参数值 ,方便地创建一系列形状相似的零件。参数化设计的基本手段有程序驱动与尺寸驱动。程序驱动法是通过分析图形几何模型的特点,确定模型的主参数以及各尺寸间的数学

12、关系 ,将这种关系输入程序中 ,进而在零件设计时只需输入几个参数即可生成所要求的模型。尺寸驱动是对程序驱动的扩展 ,它的基本思想是由应用程序生成所涉及的基图 ,该图的尺寸有一系列的标识,这些尺寸由用户在编程时输入或交互式输入 ,从而生成用户的模型。参数化设计的优点有二: 参数化设计技术以其强有力的尺寸驱动修改图形功能为初始产品设计、 产品建模和修改系列产品设计提供了有效的手段; 参数化设计可以满足设计具有相同或相近几何拓扑结构的工程系列产品及相关工艺装备的需要。整个建模过程可以分为：（1）利用表达式建立关于渐开线直齿圆柱齿轮相关尺寸参数的表达式；（2）使用曲线功能中规律曲线 ,利用已建立的表达

13、式绘出渐开线曲线；（3）在草图模式下绘制出齿轮的基本曲线（基圆、齿根圆和齿顶圆）以及一些辅助线 ,并建立相关约束；（4）利用前两步产生的曲线和辅助线,通过镜像曲线、拉伸等操作建立单个轮齿；（5）使用圆形阵列等操作完成齿轮的建模。2.2 齿轮轮廓线的生成渐开线齿轮的齿数决定了齿根圆半径和基圆半径大小关系，进而影响齿廓线的形状。例如在渐开线齿轮压力角为20 度。齿顶高系数h为1,顶隙系数c为 0.25情况下。当齿数大于等于42时，齿根圆半径大于基圆半径 ,齿廓曲线完全是渐开线 当渐开线齿轮齿数小于42时，齿根圆半径小于基圆半径 ,齿根圆和基圆之间是一段渐开线的近似曲线。本文中以小齿轮为例简述建模过

14、程，要确定渐开线直齿圆柱齿轮的三维模型需要六个基本参数 ,分别是齿数 z、模数m 、压力角、齿轮厚度h 、齿顶高系数h、顶隙系数c 。利用这几个基本参数计算出齿轮的各个部分几何特征参数。启动UG，进入主界面。单击菜单栏中的【新建】命令，选择毫米作为单位，新建名为“gear1-prt”零件文件。打开【建模】用户界面，选择【工具】菜单栏中【表达式】菜单命令, 弹出【列出表达式】对话框, 如图2所示依次在【名称】栏中输入参数符号,在【公式】栏中依次输入参数的初值，单击。 z = 45 / 齿数 m = 3 / 模数a = 20 / 压力角 h = 1 / 齿顶高系数c = 0.25 / 顶隙系数 x

15、 = 0 / 变位系数H_root = 1.25*(1+x)*m / 齿根高H_top =（1+x）*m / 齿顶高h = m*pi()/2+2*m*x*tan(s) / 齿轮厚度D = m*z / 分度圆直径 Db = m*z*cos(a) / 基圆直径D_root = D-2*H_root / 齿根圆直径D_top = D+2*H_top / 齿顶圆直径t = 0 / UG系统默认变量，0 t MoveFirst();while(!m_pSet-IsEOF()m_pSet-Delete();m_pSet-MoveNext();for(int z=17;z=120;z+)for(float

16、m=0.5f;m=10.0;)for(int h=1;h=150;h+)for(int B=-45;B=45;B+)for(float ha=1;ha=0.8;h=h-0.2) for(int c=0.25;cAddNew(); m_pSet-m_column1=z; m_pSet-m_column2=m; m_pSet-m_column3=h; m_pSet-m_column4=B; m_pSet-m_column5=ha; m_pSet-m_column6=c; m_pSet-Update(); b+=0.5;单击菜单栏下的命令，进入UG Interface UIStyler环境，利用 U

17、G NX提供的标记、线串、按钮创建创建自定义人机交互接口对话框,如图30所示。 图 30 人机交互接口对话框此对话框作为接口界面 ,实现用户与 API应用程序的交互。用户可以通过它输入数据 ,执行操作 ,应用程序通过回调函数来响应用户事件。产生的对话框可以在 MenuScript 文件中被调用,从而将用户程序与 U G完全融合。a.在 Unigraphics Gateway 状态 ,选择 Application User Interface Styler 命令,进入 UIStyler。b.利用 UIStyler提供的控件创建齿轮轴对话框 ,要求用户输入的参数由其零件族电子表格参数确定。c.将齿

18、轮对话框文件(*. dlg文件)保存至F: spurgear application文件夹中，对话框保存时生成 3 个文件。UIStyler 针对每一个*. dlg 文件(对话框图形界面的文件)自动创建对应的*. h 文件(对话框 C语言的头文件)和*temple .c 文件(C语言的模板文件) ,自动保存至 F: spurgear application文件夹中。将齿轮对话框文件保存为gear1. dlg ,则 UIStyler 同时自动保存 gear1. h 和 gear1temple .c文件。用户在编程时 ,可以通过修改*temple .c文件 ,添加代码(主要是编写回调函数)来实现用

19、户功能。3.4 创建动态链接库文件动态链接库(DLL)文件适用于对 UG/ OPEN API的内部模式调用 ,程序只能在 Unigraphics的界面环境下运行。程序API程序设计在 Visual C + +中进行的，齿轮对应的动态链接库文件(gear1. dll)创建过程如下:创建 Win32 DynamicLink Library 工程，命名为 gear1. dsw；设置工程环境；在gear1. dsw 的 Source Flies中添加gear1template. cpp(由 gear1template. c 文件改名) , Header Files 中添加文件gear1. h；编辑 *

20、temple. cpp 文件,将 # include 修改为 # include “gear1. h”，根据程序功能要求创建及修改回调函数；编译链接生成*. dll 文件，保存在F: spurgear startup文件夹下。回调函数 CHILUN-create-cb()响应单击生成齿轮按钮事件 ,修改代码如下:int CHILUNcreatecb ( int dialogid ,void *clientdata ,UFSTYL ERitemvaluetypept callbackdata)/ /定义变量char instanceckckck ckckckckcklycount；tagt pa

21、rttag ,partinst ,familyinst；UFPARTloadstatust errorstatus；UFFAMmemberdatat newdata ；UFSTYL ERitemvaluetypet item30 ；/ /设置齿轮模板文件路径char enginefilename 255 =” f: ug *sample ugapi prtfile chilun. prt” ；if ( UFinitialize () ! = 0)return ( UFUICBCONTINUEDIALOG )；/ * - - - - Enter your callback code here -

22、 - - - -* / /打开模板文件UFPARTopenquiet ( enginefilename , &parttag , &errorstatus) ；/ /获得零件族的标识UFPARTaskfamilies (parttag , &familycount , &familytag) ；/ /提取对话框中的数据 ,生成零件族实例UFFAMaskmemberrowdata ( * familytag ,0 , &new data)；newdata. values = (char * * ) malloc (500) ；item 0 . itemid = CHILUNNAME；item 0

23、 . itemattr = UFSTYL ERVALUE；UFSTYL ERaskvalue (dialogid , &item0)；item1 . itemid = CHILUNM；item1 . itemattr = UF STYL ERVALUE；UFSTYL ERaskvalue (dialogid , &item1)；item2 . itemid = CHILUNZ；item2 . itemattr = UF STYL ERVALUE；UFSTYL ERaskvalue (dialogid , &item2) ；for ( i = 0 ；i 3 ；i + + )newdata. va

24、lues i = (char * ) malloc (30)；for ( i = 0 ；i 3 ；i + + )strcpy(newdata. values i ,item i . value. string)；UFFAMaddmember ( * familytag , &newdata , &familycount)；UFPARTcreatefamilyinstance ( * familytag , familycount ,&partinst , &familyinst) ；UFPARTaskpartname (partinst ,instance) ；parttag = UFPART

25、askparttag(instance) ；UFPARTsetdisplaypart (parttag) ；UFterminate () ；return (UFUICBCONTINUEDIALOG) ；3.5 齿轮参数数据库系统设计在利用 Access建立齿轮参数数据库时 ,直齿圆柱齿轮将对应一个表 ,表中每个字段对应齿轮的一个主要参数。在对每张数据表建立查询和窗体后 ,就可在 Access运行界面下方便地进行数据管理。为方便用户对数据库的外部管理 ,可用 VC + +编程创建应用程序。首先利用 ODBC技术连接数据源 ,即连接至齿轮参数数据库 ,然后创建人机接口界面 ,最后修改控件按钮程序即

26、可。在针对齿轮建表时 ,应使表中字段与该齿轮模板部件族电子表格字段一一对应。这样当某种齿轮模板部件族电子表格文件内容发生了变化 ,可以用 Access打开齿轮参数数据库 ,利用下拉菜单文件 获取外部数据 导入 ,选择某种齿轮模板部件族电子表格文件 ,即可将其转化为 Access表 ,并覆盖数据库中原有的同名表格。由于字段名没有变化 ,原来设置好的查询和窗体等功能可以继续使用 ,因而在数据库中可对该表进行直接操作 ,也可利用 VC+ 应用程序对该表数据进行外部管理。从而实现了 UG建立的部件族电子表格文件与产品数据库之间的数据交换 ,简单易用 ,避免了复杂的编程。第4章 总 结4.1设计实现及斜

27、齿轮的延伸在给出的实例中 ,用户通过输入模数和齿数的值 ,来实现渐开线圆柱直齿轮的生成 ,可以增加压力角、 变位系数、 齿厚等参数来满足用户的实际需要。基于 UG的直齿轮结构参数化设计系统采用的是模块化设计方法 ,可以采用相似的方法实现斜齿圆柱齿轮的参数化设计 ,将原系统扩展为通用齿轮的结构参数化设计系统。由于通过修改用户化菜单文件可以分别调用各种类型齿轮的动态链接库文件 ,所以系统的扩展较易识别。对于斜齿来说,齿轮模板是不同的,其轮齿部分不能通过方式 ,而应使用方式来创建。扫掠截面线即直齿齿廓,是一螺旋曲线 ,而只要保证扫掠引导线为螺旋曲线 ,即可建立全参数化的斜齿模板。具体操作如下所示：选

28、取【插入】工具栏【曲线】目录下的【螺旋线】命令，弹出如图31所示对话框，设置参数，螺旋线的参数化表达式：L=pi()*D_root*tan(B)，式中：B为螺旋角；D_root为齿根圆直径；L为螺距，单击,就会生成如下图32所示的螺旋线。 图 31 “螺旋线”对话框 图 32 生成螺旋线选取【插入】菜单下命令中的【沿延伸线扫掠】功能，以如下图33所示齿轮齿廓为扫掠截面线，以刚刚生成的螺旋线为引导线，布尔运算【求差】，就会生成单个齿轮轮廓，再利用菜单栏【插入】中的【实例特征】中的【环形阵列】功能就能生成图34所示的完整齿轮。 图 33 单个斜齿的生成 图 34 阵列结果效果检验：进入UG建模模式

29、，打开文件中的gear1.grx文件，在弹出的对话框中设置模数为4，齿数为24，齿轮厚度为20的直齿圆柱齿轮，结果自动生成下图35所示齿轮。图 35 直齿圆柱齿轮再设置模数为3，齿数为20，螺旋角为12，齿轮厚度为20的斜齿轮，结果生成图36所示齿轮。图 36 斜齿圆柱齿轮我们可以看到自动生成两个明显不同的齿轮，这样就达到了我们预期的实现圆柱齿轮参数化的目的和要求。4.2主要收获和经验本文以直齿圆柱齿轮参数化建模的程序实现，研究了基于UG系统环境下零件库的开发方法,使用U G/ OPEN API程序语言编制了实用的二次开发程序。实现了仅输入齿轮的基本参数即可快速准确建模的目标，并且进一步探讨了

30、斜齿轮参数化的建模过程，在此过程中我们得之直齿圆柱齿轮是斜齿轮的特例（B=0）。本文主要依据齿轮轴为模板，实现了参数化。鉴于齿轮的形式不同，用户还可以在数据库中增加实心式和腹板式的模板，并加入圆台、键槽高度与长度、圆孔等细节特征的参数来满足自己的实际需要。本方法不要复杂的编程和计算,又能建立齿廓精度高的齿轮模型 ,使建模过程简化，为以后的运动分析，力学分析，虚拟装配等都奠定良好基础，具有较高的实用价值。通过本文可以得出以下结论：利用U G/ OPEN API程序开发语言可以方便 、快速的开发标准零件，为快速建模开辟了新方法； 利用U G/ OPEN API 程序开发语言可以准确的开发复杂曲面零件设计程序 ，为复杂曲面设计开辟了新的建模方法。 结束语通过两个多月的努力，我的毕业设计终于完成了。直齿圆柱齿轮参数化建模已经基本实现，达到了导师预定的目的。在齿轮建模和参数化的实现过程中，我基本掌握了机械设计的一般流程，机械设计所要注意的事项，使用计算机制图软件的能力，特别是对Auto